通过简便一步喷涂法制备稳健多级热致变色超疏水涂层

随着全球气候变化加剧和城市化进程加快，对环境温度的实时感知和智能响应的需求日益增长。新兴的智能热致变色涂层技术在温度指示、安全预警和能效管理等领域展现出巨大潜力。

 

传统的温度监测技术依赖外部能源，且通常维护成本高、可视化能力不足。相比之下，热致变色涂层通过颜色变化直接反映温度信息，具有被动、直观和低能耗的优势。它们在能效管理、温度监测、防伪技术以及设计与装饰等领域展现出显著的应用潜力。

 

在各种热致变色材料中，热致变色微胶囊（TCMs）因其原料选择范围广、化学稳定性好、变色温度可调及成本效益高而备受关注。这些微胶囊通常由有机热致变色材料组成，包括电子给体（热致变色染料）、电子受体（显色剂）和溶剂化合物。给体、受体和溶剂决定了材料的颜色、变色顺序以及变色发生的温度。其变色机制在溶剂达到相变温度时触发，导致给体和受体之间发生电子转移，从而引起颜色变化。

 

热致变色微胶囊进展

将有机热致变色材料微胶囊化有助于简化其应用。最近的研究集中在利用TCMs制备温度响应材料。例如，有人通过将两种TCMs与聚乳酸（PLA）熔融共混，开发了一系列可逆热致变色薄膜，在25–50°C温度范围内逐渐从绿色变为黄色最终变为无色；有人利用具有不同温度响应特性的可逆热致变色微胶囊创建了一个两级变色系统，在25°C至35°C之间从紫色变为蓝色最终变为无色。

 

尽管热致变色涂层的应用取得了重大进展，但仍存在一些关键限制。包括颜色转变范围有限（通常仅限于两种颜色或褪为无色）、颜色变化与直观感知逻辑相悖（例如，在高温下变为无色）、制备工艺复杂以及耐久性不足。这些缺点共同限制了它们在实际环境中的应用。

 

赋予热致变色涂层超疏水性是提高其耐久性的一种有前景的解决方案。超疏水性不仅增强了这些涂层的耐久性，还提供了额外的优势，如抗污性、防冰性和自清洁能力，从而提高了它们在各种环境条件下的稳定性。

 

喷涂法制备的新尝试

曾有研究通过使用改性的氧化锌晶须和热致变色微胶囊作为功能颜料，硅树脂作为粘合剂，以及1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷作为低表面能试剂，采用空气喷涂沉积法制备了一种热致变色超疏水涂层。该涂层在24°C至30°C之间表现出高度敏感的可逆热致变色行为，从灰色变为白色。另有研究以白色硅酸盐水泥为粘合剂，热致变色微胶囊和纳米SiO₂为功能添加剂，聚甲基氢硅氧烷为低表面能试剂，采用刷涂法制备了多种颜色的热致变色超疏水涂层。

 

热敏变色与超疏水性能的结合具有显著优势。然而，目前大多数制备超疏水涂层的方法仍面临若干挑战，包括依赖含氟化学品、制备工艺复杂、成本高以及难以大规模生产，这限制了它们的实际应用和广泛采用。

 

东北林业大学材料科学与工程学院的研究团队近期在《Progress in Organic Coatings》上发表了以“Robust multistage thermochromic superhydrophobic coating prepared by a facile one-step spray coating method”为标题的论文。论文提到，受变色龙皮肤热调节机制启发，该团队研究并提出了一种基于环境温度、具有多级温度响应和多色转变的可逆热致变色超疏水涂层。

 

喷涂法具有操作简便、成本效益高、适合大面积应用等优点，对于超疏水材料的高效开发和利用非常有利。在环氧树脂中加入双固化剂可增强其附着力、耐磨性和防腐性能，从而应对长期使用带来的挑战。在此次研究中，团队将三种热致变色微胶囊（TCMs）和纳米SiO₂作为双尺度颗粒组合，以构建分级微/纳米结构表面。混合颗粒进一步用十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS）改性，DTMS通过硅烷偶联在界面形成化学桥，从而提高材料与基底之间的界面结合强度。随后，通过加入环氧树脂预聚物制备了复合涂层，并通过一步喷涂法将其涂覆在各种基底（包括木材、纸张、海绵、玻璃和钢材）上。

 

涂层制备过程示意图。

 

所得涂层在15–35°C温度范围内呈现鲜明可逆的三色转变（绿-黄-红）。颜色设计基于环境温度变化，并且与人类对热颜色的心理感知相一致，充分考虑了人-环境交互，增强了视觉识别和高温预警能力。

 

涂层在不同温度下的工作原理示意图。

 

通过一步喷涂法制备出的该涂层具有微/纳米分级结构，且无氟环保。它表现出优异的超疏水性，水接触角（WCA）超过150°，滑动角（SA）低于3°。值得注意的是，经轻度砂粒磨损后，其WCA可增至160°以上。涂层在砂纸磨损、机械冲击、化学腐蚀及长期紫外线照射后均保持显著稳定性，展现出卓越的耐久性。电化学阻抗谱（EIS）进一步验证了其出色的屏障性能。此外，涂层对多种常见液体（茶、可乐、牛奶、果汁）具有强排斥性，兼具优异的自清洁能力和广泛的基底适用性。

 

一系列表征技术分析了涂层的微观结构、化学成分、润湿性、热致变色行为、耐久性和电化学耐腐蚀性能。结果表明，当TCMs、纳米SiO₂、DTMS和环氧树脂的质量比为30:20:94:105时，涂层性能达到最佳。与先前报道的基于TCMs的热致变色超疏水涂层相比，由双尺度颗粒形成的分级微/纳米结构提供了更优异的机械鲁棒性和环境适应性。三种不同TCMs的组合实现了鲜明、可逆的多色转变，并扩展了可用颜色范围。此外，涂层采用无氟、环保且简便的方法制备。所得涂层在砂纸磨损、机械冲击、化学腐蚀和长期紫外线照射等各种破坏性条件下表现出优异的耐久性。这些属性凸显了该涂层在建筑、装饰和温度指示领域巨大的实际应用潜力。这种创新、绿色且坚固的热致变色超疏水涂层，在智能表面、热预警系统和多功能防护材料等领域具有广阔的实际应用前景。